Fragen zur Klausur WPF Kältetechnik 1. Was versteht man unter dem Begriff „Kälte-Wärme-Verbund-Anlagen“ und welche Voraussetzungen müssen für deren Einsatz mindestens erfüllt sein? Warum wird hierfür gegenwärtig das Kältemittel R22 verwendet? Weshalb wird die Kondensationstemperatur im Sommer-und Winterbetrieb unterschiedlich gefahren? Kälte-Wärme-Verbund • Erzeugung von Kälteleistung, gleichzeitige Nutzung der Kälteleistung ° • Nutzung der Abwärme Q ÜH bzw. Q! zu Heizzwecken Voraussetzungen • Zeitlich zusammenfallender Bedarf an Kälte-und Heizleistung • • • ° ° Mengengleichgewicht von Q o und Q Wärme muß im Niedertemperaturbereich abgenommen werden Sollwertverstellung der Kondensationstemperatur muß möglich sein (Regelung) Sommer : 35°C, Winter : 55°C Kältemittel R22 • Bekannte, ausgereifte Kältetechnik • t<= -55°C, ohne zusätzlichen Aufwand möglich • RODP <= 5% • Höhere volumetrische Kälteleistung qo als R134a Sommer (Kühlfall) • t<= 35°C • große Kondensatorleistung • geringe Kälteleistung Winter (Heizfall) • t<= 55°C • Bereitstellen der Kondensationswärme Wärmeabdeckungsgrad hängt also von der Heizkreistemperatur ab, d.h. es ist ein Niedertemperaturheizsystem erforderlich, z.B. 70/50°C vom Skript-Server der FH-Köln: http://skript.vt.fh-koeln.de/ 1 von 13 Fragen zur Klausur WPF Kältetechnik 2. Welche Besonderheiten ergeben sich bei der Wärmedämmung von Kälteanlagen und Kühlräumen? Nennen Sie Mindestanforderungen an einen Kältedämmstoff! Mindestanforderungen Kältedämmstoff • Geringe Wärmeleitfähigkeit λ <= 0,06 W/m2* K • Ausreichende (Druck-) Festigkeit und Formbeständigkeit [N/mm2] • Geringe Wasserdampf-Aufnahme bzw. Diffusion • Ausreichende Temperatur-bzw. Hitzebeständigkeit auch für Kleber und Dampfsperre • Brandsicherheit insbesondere bei der Raum-(Gebäude)- Kälteisolierung • Ohne physiologische Wirkungen auf Menschen und Kühlgut einschließlich der Behinderung von Pilz-und Bakterienkultur • Leichte Verarbeitung • Menge, Preis Wärmedämmung • Schutz des Verdampfungsbereiches vor Kälteverlust bzw. Wärmeeinfall • Vermeidung von Tauniederschlag an metallisch blanken Oberflächen Kälteanlagen • Tau-bzw. Schwitzwasserbildung auf kalten Metalloberflächen vermeiden • Nur Saugseite isolieren • Verhinderung von Wärmeeinfall im Verdampferbereich • Einhaltung bestimmter Betriebstemperaturen • Kühlmöbel : technisch wirtschaftliche Dämmstärken 4...8cm Kühlhäuser • Schutz gegen Wärmeeinfall, sowie Wasserdampfdiffusion durch Bauteile, insbesondere durch die Dämmschicht • Dämmstärken orientieren sich an den Betriebskosten/Energiekosten und betragen 20...30cm vom Skript-Server der FH-Köln: http://skript.vt.fh-koeln.de/ 2 von 13 Fragen zur Klausur WPF Kältetechnik 3. Kennzeichnen Sie Vor- und Nachteile der NH3/ H2O-Absorptions-Kälteanlagen im Vergleich zu einem Turbokältesatz! Worin liegen weitere Probleme des genannten Absorptions-Kälteverfahrens, weshalb wird es trotzdem eingesetzt? Skizzieren Sie das Fließbild und kennzeichnen Sie die Energieströme! Vorteile • Kaum bewegte Teile, bis auf die Lösungspumpe, d.h. geringen Verschleiß, geringe Geräusche, kaum Schwingungen (Gebäudeaufstellung) • Preiswerter Abwärmebetrieb möglich • I.d.R. geringere Investitionskosten als bei Kompressionskälteanlagen großer Leistung • FCKW-frei • WRG möglich • Kompakte Bauweise Nachteile • NH3 ist hochgiftig • Große Wärmemengen und Kühlmittelströme erforderlich (Abwärme+Kühlturmbetrieb) • NH3 ist korrosiv • Hohe Betriebskosten • Rektifikation (Trennung von Flüssigkeitsgemischen durch wiederholte Destillation) • Geringes Wärmeverhältnis Anwendung • to >= -60°C (mehrstufig) • Kleinkühlschränke mit Gas-Elektro-Heizung und für den Möbeleinbau (Geräusche, Schwingungen) • ° Großkälte in Gewerbe und Industrie oberhalb >= 300kW ( Q o) aber auch Fernkälteversorgung, z.B. über Abwärmenutzung vom Skript-Server der FH-Köln: http://skript.vt.fh-koeln.de/ 3 von 13 Fragen zur Klausur WPF Kältetechnik 4. Wo liegen die Vor- und Nachteile einer H2O/ LiBr-Absorptions-Kälteanlage im Vergleich zu einer Kompressionskälteanlage? Skizzieren Sie diesen Absorptionsprozeß und kennzeichnen Sie wesentliche Bauteile sowie die Energieströme und Druckverhältnisse! Konkurrenz, da ähnlicher Leistungsbereich ( > 300kW...MW-Bereich ) Vorteile • Wie NH3/ H2O-AKA • Keine Rektifikation • H2O/ LiBr „ungiftig“, in der TGA zugelassen • H2O/ LiBr preiswertes Arbeitsmittel • Abwärmebetrieb Nachteile • to >= 0°C, wegen H2O als Kältemittel, üblich to >= 3°C bzw. tKWVL = 6°C / tKWRL = 12°C • Vakuumbetrieb, z.B. to = 4°C, po = 0,0813 bar ( 8,13 mbar) • Auskristallation des LiBr etwa ab <= 65 Gew-%, geringe „Entgasungsbreite“, d.h. hohe Umlaufmenge (KM+ Lösungsmittel) • Korrosivität des LiBr, speziell für Cu-Werkstoffe, einsetzbar z.B. Cu-Ni-Legierungen • Geringes Wärmeverhältnis ξ <= 60...70% • „Kein deutscher Hersteller“ Anwendung • Gebäude-Klimatisierung über indirekte Kühlung mittels Kaltwasser ggfs. unter Nutzung von Abwärme, Solarwärme bzw. Überschußwärme aus den Fernwärmenetzen oder BHKW-Wärmenutzung im Sommer vom Skript-Server der FH-Köln: http://skript.vt.fh-koeln.de/ 4 von 13 Fragen zur Klausur WPF Kältetechnik 5. Welche Anforderungen muß ein Kälteträger mindestens erfüllen? Nennen Sie in der Anwendung befindliche Substanzen und deren Einsatzgrenzen! Welcher Kälteträger wir überwiegend in der Lebensmittelkühlung eingesetzt und welche Probleme ergeben sich hierbei? Anforderungen • Gefrierpunkt des Kälteträgers muß <= 5K unter to liegen • Gute Wärmeübertragungseigenschaften: λ,c hoch η,ν niedrig, wegen Nu (α) bzw. kWert : kleiner Wärmeübertrager (Kosten) • Leistungsaufwand für die Umwälzpumpen PPKT : η,ν niedrig • Siedetemperatur (ts) niedrig wegen möglicher Verluste durch Abdampfung • Passiv gegen metallische Werkstoffe und Dichtungsmaterialien • In ausreichender Menge verfügbar zu vertretbaren Preisen In der Anwendung sind • Luft : vor allen Dingen im Lebensmittelbereich : Kühlschrank, Großkühlhaus ° • • • • • Probleme: geringe Wärmekapazität c ,( m * c )niedrig, Feuchtegehalt der Luft : ϕ,x , Abtauung des vereisten Verdampfers Wasser für >= 0°C (i.d.R. >= 3°C), Anwendung vorzugsweise in der RLT bzw. Gebäudetechnik Kühlsole, d.h. Wasser + Salz, z.B. H2O + NaCl bis 15°C oder H2O + CaCl2 bis -40°C Probleme : Korrosion, Auskristallation, Zähigkeit Wasser + organische Substanzen, so z.B. Äthylenglycol + H2O : -20°C , Methanol + H2O : -30°C Reine organische Kälteträger, wie Trichloräthylen C2HCl3 bis –80°C, Methylenchlorid CH2Cl2 bis –80°C Kältemittel als Kälteträger bis hin zu –100°C, so z.B. bisher R11,R12 6. Skizzieren Sie einen Kaltgas- und Heißgas-Bypass als Fließbild und deren Wirkungsweise im lg p-h-Diagramm! Wozu werden diese Schaltungen eingesetzt? Worin liegen ggfs. Probleme dieser Schaltung? Kaltgas- und Heißgas-Bypässe werden zur Leistungsanpassung, bzw. Regelung von Verdichtern in Kälteanlagen eingesetzt. Probleme bei Kaltgasbypass: evt. Auftreten von Flüssigkeitsschlägen (Kavitation) im Verdichter, wenn zu viel Kaltgas beigemischt wird. Die Regelung der Kälteleistung über einen Bypass bringt praktisch keine Reduzierung des Energieverbrauchs gegenüber dem Vollastbetrieb, da auch bei Teillast der volle Volumenstrom gegen die volle Druckdifferenz verdichtet werden muß, d.h. die Bypassregelung arbeitet nicht wirtschaftlich, wird aber als einfache Lösung gerne angewandt. vom Skript-Server der FH-Köln: http://skript.vt.fh-koeln.de/ 5 von 13 Fragen zur Klausur WPF Kältetechnik 7. Welche Betriebsweisen von Verdampfern in Kompressionskältenanlagen kennen Sie und wo liegen deren Einsatzgebiete? Wodurch wird ihre Konstruktion maßgeblich bestimmt? ° Aufgabe des Verdampfers ist die Übernahme der Kälteleistung wodurch das Kältemittel verdampft und überhitzt wird. Qo in den Kältekreis Betriebsweisen von Verdampfern • Überflutete Verdampfer : mit stehenden oder liegendem Rohr- oder Plattenbündel, die vom flüssigen Kältemittel überflutet sind. Da der KM-Stand konstant gehalten ° wird ist Q o ungleich f(Belastung), d.h. überfl. Verdampfer sind typisch für große konstante Leistungen. Der KM-Dampf verlässt den Verdampfer als ND, allenfalls SD, d.h. Tropfenabscheider und ggfs. Nach-Überhitzung erforderlich. • • ° Einspritz-oder trockene Verdampfer : mit geregelter KM-Einspritzmenge, d.h. Q o = f(Belastung). Der KM-Dampf verlässt den Verdampfer als SD oder besser als HD, d.h. überhitzt. Einsatz: Kühlmöbel, Kleinkälte, RLT-Anlagen, Großkälte (mit Mehrfacheinspritzung). Rieselverdampfer : als Kombination von überfl. und Einspritzbetrieb für große, geregelte Kälteleistungen. Die Konstruktion von Verdampfern werden bestimmt u.a. durch Hygiene, Platzverhältnissen, Aggregatzustand der zu kühlenden Stoffe, bzw. des Kälteträgers, so u.a. : • Gaskühlung : Luft als Kälteträger, RLT • Gasverflüssigung : Luft, chem. Gase, Erdgas • Flüssigkeitskühlung : Kaltwasser, Getränke, Kälteträger • Gefrieren von Flüssigkeiten : Wassereis, Eis, Kristallisation vom Skript-Server der FH-Köln: http://skript.vt.fh-koeln.de/ 6 von 13 Fragen zur Klausur WPF Kältetechnik 8. Welche Möglichkeiten der Leistungsanpassung bei Kolbenverdichtern in Kälteanlagen kennen Sie (Skizze und Erläuterung)? Aus welchen Gründen ist der Kolbenverdichter weniger als andere Verdichterbauarten zur Leistungsanpassung geeignet? Möglichkeiten der Leistungsanpassung • „Zweipunktregelung“, d.h. Ein/Ausschaltung über Presso- und Thermostaten für Kleinanlagen einschließlich Haushaltskältetechnik-Kältemöbel • Verdichterzu- und Abschaltung, sogn. Verbundanlagen • Speziell für Mehrzylinder-Kolbenverdichter : Zylinderzu- und Abschaltung • Außenbypass, d.h. außerhalb des Verdichters als Kaltgas- Heißgasbypass • Drehzahlregelung, insbesondere für Rotationsverdichter (Scroll, Schrauben, und Turbo-Verdichter), weniger geeignet für Hubkolbenverdichter • Schiebersteuerung bei Schrauben-V. • Drall-, Drossel-, Vordrall-, Saugregelung bei Turbo-V. Probleme des Kolbenverdichters bei der Leistungsanpassung • Unrunder Lauf • Geräusche • Ölversorgung der totgelegten Zylinder • Mechanischer Aufwand • Hubkolbenverdichter werden bei Vollast ausgelegt, d.h. bei einer Drehzahl wurden Schmierung und Massenausgleich festgelegt. 9. Was versteht man unter dem Begriff „Kühlkette“? Welche Funktionen übernimmt die Kältetechnik im Bereich der Luftkonditionierung bzw. Raumklimatisierung? Welche Arten der Luftkühlung kennen Sie? Definition Kühlkette : Lückenloses Ineinandergreifen von Kälteprozessen zur Kühlung eines Gutes (z.B. Lebensmittel) von der Herstellung bis zur Lagerung im Haushalt. Im Bereich der Luftkonditionierung in RLT-Anlagen übernimmt die Kältetechnik folgende Funktionen : • Direkte Kühlung : Verdampfer im Luftstrom • Indirekte Kühlung : mit Kälteträger, z.B. Kaltwassersatz • Freie Kühlung : Außenluftnutzung zur Kühlung • Lufttrocknung bzw. Entfeuchtung infolge Taupunktunterschreitung bzw. Ausfrieren • Luftkühlung im Sommer oder bei hohen inneren Wärmelasten vom Skript-Server der FH-Köln: http://skript.vt.fh-koeln.de/ 7 von 13 Fragen zur Klausur WPF Kältetechnik 10. Welche Arten der Wärmeabfuhr aus Kondensatoren kennen Sie? Welche konstruktiven Maßnahmen sind jeweils erforderlich? Wie werden diese Apparate der abgeforderten Leistung angepaßt? Arten der Wärmeabfuhr • Durch Kühlwasserkreisläufe • Durch Luftkühlung; aber nur, wenn nicht genügend reines Wasser zu vertretbarem Preis zur Verfügung steht Konstruktive Maßnahmen • Rohrbündel-Apparat für Wasser-(Sole) Kühlung in liegender oder stehender Ausführung • Berieselungs-Kondensator für kombinierte Wasser und Luftkühlung (Verdunstung), aber witterungsabhängig • Rückkühlwerke (Wasser-Kondensator + Kühlturm) oder Verdunstungsverflüssiger mit Wasser und Luftkühlung, aber geschlossen • Luft-Kondensator mit reiner Luftkühlung mit Flächenvergrößerung auf der Luftseite Bei Luftkühlung erhöht sich die Kondensationstemperatur tk auf 30...45°C, d.h. p/t steigt. Leistungsanpassung Anpassung an die vom Verdichter vorgegebene KM-Umlaufmenge und Druckanpassung an geänderte Temperaturverhältnisse. • Kühlwassermengenregelung bei wassergekühlten Kondensatoren • Luftmengenregelung über Ventilator-Drehzahl oder Klappen-/Drosselregelung • Verringerung der aktiven Kondensatoraustauschfläche durch KM-Rückstau vom Skript-Server der FH-Köln: http://skript.vt.fh-koeln.de/ 8 von 13 Fragen zur Klausur WPF Kältetechnik 11. Was versteht man unter den Begriffen „Vollständigkeitsprüfung“, „Funktionsprüfung“, und „Abnahme- bzw. Garantieversuch“ bei der Übergabe von Kälteanlagen? Welche rechtlichen Konsequenzen hat das „Schlußprotokoll“? Vollständigkeitsprüfung Lieferumfang gemäß Auftragsbestätigung (Leistungsverzeichnis), dazu gehören : • Prüfbescheinigungen • Bedienungs- und Wartungsanweisungen • Revisionszeichnungen • Einweisung des Bedienungspersonal Funktionsprüfung Probebetrieb zum Zwecke der Einregulierung der Gesamtanlage • Einstellung und Erprobung der Sicherheits- und Alarmfunktionen • Ausführung der Anlage, z.B. auch der Kälteisolierung • Feststellung von Lieferdefiziten und Restarbeiten Abnahme- und Garantieversuch Der Ersteller ist zum Nachweis der Leistungswerte der Kälteanlage nur dann verpflichtet, wenn dieser Bestandteil des Vertragswerkes/Leistungsverzeichnisses ist, d.h. kosten- und zeitmäßig ausgewiesen ist. Erforderlich sind hierzu Messungen von Druck, Temperatur und Durchfluß sowie elektrische Leistungsaufnahme, die jeweils eine bestimmte Installation von Meßfühlern und Meßstrecken (vor der Befüllung mit Kältemittel) erfordern. Die Messungen sollten im Auslegungsfall (Vollast) und in der Beharrung, d.h. Konstanz wenigstens über 30min durchgeführt werden (vgl. DIN 8976). Schlußprotokoll • Besiegelt (förmliche) Abnahme • Gibt Auskunft über Anlagenzustand (einschließlich Mängel) • Muß von beiden Vertragspartnern unterzeichnet sein • Dann gehen Gefahrtragung und Beweislast auf den Betreiber über vom Skript-Server der FH-Köln: http://skript.vt.fh-koeln.de/ 9 von 13 Fragen zur Klausur WPF Kältetechnik NH3/H2O-Absorptions-Kälteanlage vom Skript-Server der FH-Köln: http://skript.vt.fh-koeln.de/ 10 von 13 Fragen zur Klausur WPF Kältetechnik Fließbild und lg p-h-Diagramm der Kaltgas-Bypass-Schaltung vom Skript-Server der FH-Köln: http://skript.vt.fh-koeln.de/ 11 von 13 Fragen zur Klausur WPF Kältetechnik Fließbild und lg p-h-Diagramm der Heißgas-Bypass-Schaltung vom Skript-Server der FH-Köln: http://skript.vt.fh-koeln.de/ 12 von 13 Fragen zur Klausur WPF Kältetechnik Leistungsanpassung bei Kolbenverdichtern vom Skript-Server der FH-Köln: http://skript.vt.fh-koeln.de/ 13 von 13
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